CN113678292A - 加湿器模块、加湿器、具有这种加湿器的燃料电池系统以及用于加湿气体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于燃料电池系统(2)中的加湿器(15)的加湿器模块(1)，所述加湿器模块具有气体可透过的膜(3)，在所述膜的一侧处布置有限定流场的流场芯(4)，其中，流场芯(4)具有至少两个分隔接片(5)，在所述分隔接片之间构造有通道(6)。分隔接片(5)由吸湿的、不溶于水的材料如此地形成，使得在所述至少一个通道(6)中流动的液体能够暂时存储在吸湿的分隔接片(5)中。此外，本发明涉及一种具有加湿器模块(1)的加湿器(15)，一种具有加湿器(15)的燃料电池系统(2)和一种用于加湿气体的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池系统中的加湿器的加湿器模块，所述加湿器模块具有气体可透过的膜，在所述膜的一侧处布置有限定流场的流场芯，其中，流场芯具有至少两个分隔接片(Trennsteg)，在所述分隔接片之间构造有通道。此外，本发明涉及一种具有多个加湿器模块的加湿器，一种具有加湿器的燃料电池系统和一种用于加湿燃料电池系统中的气体的方法。
背景技术
加湿器一般被使用，以便于在具有不同的湿气含量的两种气态介质的情况中能够引起湿气传递到较干燥的介质上。这种气体/气体加湿器尤其在燃料电池设备得到应用，在所述燃料电池设备中，在阴极回路中为了供给燃料电池堆叠的阴极空间，将空气连同包含在其中的氧气压缩，从而存在相对热的且干燥的经压缩的空气，所述空气的湿度针对在燃料电池堆叠中的应用对于膜电极单元而言是不足够的。通过压缩机提供的用于燃料电池堆叠的干燥空气被加湿，其方式为，将所述空气引导经过对于水蒸汽可透过的膜，所述膜的另一侧利用来自燃料电池堆叠的湿润的排出空气(或废空气，即Abluft)扫过。此外，在阴极空间和阳极空间中，积聚有液态水。为了通过加湿器的加湿器膜提供足够的水传递，加湿器必须相对大地构造。同时必须提供足够的液态水用于加湿。
DE 20 2011 109 654 U1描述了一种用于燃料电池的膜加湿器，该膜加湿器具有框架，该框架带有由通道结构构成的集成的或嵌入的流场，其中，表面具有被亲水地涂覆以便避免液体积聚并且使得湿气能够均匀分布到要加湿的气体上。
US 2006/147773 A1描述了一种具有流场的加湿器，所述流场多孔且亲水地设计并且可以作为置入物利用边缘侧的密封件固定在框架中。
DE 10 2014 205 029 A1又描述一种具有阴极侧的流场的膜加湿器，该流场具有多个单个的气体流动通道，在所述气体流动通道中或在气体流动通道的壁处施加有多孔材料或纤维结构以用于吸收液体。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加湿器模块，一种加湿器，一种燃料电池系统和一种用于加湿气体的方法，其中，可以减小加湿器的结构大小，同时实现有效的加湿。
所述目的利用具有权利要求1的特征的加湿器模块并且通过具有权利要求6的特征的加湿器，以及通过具有权利要求7的特征的燃料电池系统以及通过具有权利要求9的特征的方法来实现。具有本发明的适宜的扩展方案的有利的设计方案在从属权利要求中给出。
在此，加湿器模块的特征尤其在于，分隔接片由吸湿的、不溶于水的材料如此形成，使得流动到至少一个通道中的液体能够暂时存储在吸湿的分隔接片中。这由此实现将液态水从流体流吸收到吸湿的分隔接片中、将如此吸收的液态水暂时存储在吸湿的分隔接片中以及将液态水通过蒸发到流动通过通道的流体流或气体流中而输出。由此，通常从气体流非连续地输出到加湿器中的液态水可以临时存储在流场中并且在需要时又蒸发到气体流中(尤其到阴极流中)并且被膜吸收，以便对其进行加湿。这实现，更少地需要通过膜进行水传递并且由此可以减小加湿器的膜面积并且因此减小加湿器的结构大小。此外，通过至少两个分隔接片使加湿器稳定，所述分隔接片优选在两侧支撑所述膜。由吸湿的材料形成的分隔接片在此优选具有毛细管活性的特性，从而液态水被吸入并且分布在分隔接片内，从而液态水在加湿器模块内均匀分布或以均匀分布的方式存在。吸湿的材料可以例如是硅酸盐、尤其是硅酸钙，或沸石。
尤其是有利的是，流场芯被疏水的框架包围，或流场芯被接纳到疏水的承载板中。由疏水的、即不导引水的材料构成的框架或承载板防止水向外运输并且由此向外密封流场。在此，流场芯可以被挤压到疏水的承载板中。
为了产生尽可能大的流场并且为了使加湿器模块和因此加湿器可以设计得尽可能小，有利的是，多个吸湿的分隔接片形成彼此分隔开的通道，并且通道直线地且彼此平行地延伸。通道的直线的延伸部确保在加湿器模块内的小的压力损失。此外，通过多个分隔接片增大液态水的存储能力并且改善膜的支撑并且因此改善加湿器模块的稳定性。此外，通过分隔接片形成的大量通道确保对流体流动和液态水的引导。
在一种备选的实施形式中设置成，存在多个通过吸湿的分隔接片形成的通道，并且分隔接片具有至少一个转向部(Umlenkung)。换言之，分隔接片可以弯曲地或折弯地形成。尤其设置成，分隔接片具有多个转向部。借助于转向部，分隔接片形成如下面，水滴可以在所述面处分离。这提高了分离率并且使得液态水能够更有效存储在吸湿的分隔接片中。
就此而言尤其设置成，分隔接片沿着其延伸方向规则间隔开地(并且优选彼此平行地)具有转向部。这提高了分离率。
根据本发明的用于加湿用于燃料电池系统的气体的加湿器具有两个端板，在所述端板处构造有用于干燥气体的入口，用于经加湿的气体的出口，用于湿润气体的另外的进入部(Anlass)和用于经除湿的气体的另外的流出部(Ausfluss)，该加湿器特征尤其在于，在端板之间布置有多个已经描述的加湿器模块。针对根据本发明的加湿器模块描述的优点和优选的实施形式在此也适用于根据本发明的加湿器，该加湿器配备有多个这种加湿器模块。
针对根据本发明的加湿器或根据本发明的加湿器模块所描述的优点和优选的实施形式也适用于根据本发明的燃料电池系统，该燃料电池系配备统有这种加湿器或加湿器模块。
在此尤其有利的是，在阳极侧存在有分离器(Abscheider)，分离器的流走部(Abfluss)与加湿器流体力学地连接，并且/或者在阴极流出侧，阴极废气线路与加湿器流体力学地连接。这使得能够将在阳极侧和/或在阴极侧积聚的液态水应用于加湿，由此可以减小加湿器的结构大小。
用于加湿燃料电池系统中的气体的方法(所述燃料电池系统具有燃料电池堆叠，燃料电池堆叠与以上描述的加湿器流体连接)在此尤其包括以下步骤：
-从燃料电池堆叠取出液态水并且将液态水供应给加湿器，
-将液态水的至少一部分吸收到吸湿的分隔接片中并且临时存储该部分，并且
-通过蒸发液态水至少部分地排空吸湿的分隔接片并且借助于蒸发的液态水对要供应给燃料电池堆叠的气体进行加湿。
这使得能够有效加湿气体、尤其阴极气体，同时使得加湿器的结构大小较小，其方式为，将液态水临时存储在吸湿的分隔接片中并且在需要时可以将其蒸发到阴极气体中。
尤其优选的是，在阳极侧和/或在阴极侧从燃料电池堆叠取出液态水。液态水可以在此通过从燃料电池堆叠中主动排出液态水实现。在一种备选的实施形式中，连续地进行从燃料电池堆叠中排出液态水以用于填充分隔接片。
附图说明
本发明的其他优点、特征和细节由权利要求、下面对优选的实施形式的描述以及依据附图得到。其中：
图1a示出加湿器模块的示意图，
图1b示出图1a的加湿器模块的俯视图，其中分隔接片直线地构造，
图2示出另外的加湿器模块的示意图，其中分隔接片具有转向部，以及
图3示出带有具有多个加湿器模块的加湿器的燃料电池系统。
具体实施方式
图1a和图1b示出用于加湿器15的加湿器模块1，该加湿器模块具有气体可透过的膜3，在该膜的一侧处布置有限定流场的流场芯4。流场芯4具有多个分隔接片5，在所述分隔接片之间相应构造有通道6。分隔接片5由吸湿的、不溶于水的材料、尤其由硅酸钙如此地形成，使得可以从在通道6中流动的流体取出液态水、将液态水吸收到吸湿的分隔接片5中、暂时存储在那里并且在需要时借助于蒸发从分隔接片5输出。
图1b在此阐明，流场芯4由疏水的框架7包围。当前，流场芯4被挤压到疏水的承载板中。通过流场芯4的疏水的框架7防止液态水从流场芯4向外流出，即将流场芯4密封。
通道6的直线的且彼此平行地构造的延伸部在此使得能够在压力损失较小的情况下引导在其中流动的流体。分隔接片5在此额外地用作用于加湿器模块1或加湿器15的膜3的支撑件并且用于使加湿器模块1亦或加湿器15稳定。
图2示出一种备选的实施例，在该实施例中，在吸湿的分隔接片5之间伸延的通道6经历多个转向部8。当前，沿着分隔接片5的纵向延伸部彼此规则间隔开地构造转向部8，其中，各个分隔接片5彼此平行地布置。转向部8在此提供如下面，液滴可以在所述面处分离，从而可以从在通道6中流动经过的流体取出液态水并且将其吸收到吸湿的分隔接片5中并且临时存储在所述分隔接片中。
图3示出具有用于给气体加湿的加湿器15的燃料电池系统2。在此，加湿器15具有两个未更详细示出的端板，在所述端板处构造有用于干燥气体的入口14，用于经加湿的气体的出口18，用于湿润气体的另外的入口17和用于经除湿的气体的另外的出口13。在这两个端板之间布置有多个之前描述的加湿器模块1。
燃料电池系统2包括作为核心部件的燃料电池堆叠16，该燃料电池堆叠具有大量以堆叠形式布置的未更详细示出的燃料电池。每个燃料电池相应关联有阳极空间以及阴极空间，其中，阳极和阴极通过可传导离子的聚合物电解质膜彼此隔开。此外，在两个这种膜电极组件之间相应布置有未更详细示出的双极板，所述双极板用于将反应物供应到阳极空间和阴极空间中并且此外在各个燃料电池之间建立电连接。
为了给燃料电池堆叠供应以反应物、即阴极气体和燃料，燃料电池堆叠16在阳极侧与用于供应来自阳极贮存器19的含氢气的阳极气体的阳极供应线路20连接。在燃料电池堆叠16的阳极侧上的阳极运行压力能够经由阳极供应线路20中的调节环节28调整。在阳极流出侧存在有阳极废气线路24，阳极废气线路与阳极再循环线路21流体力学地连接以用于运输走未反应的阳极气体，阳极再循环线路与阳极供应线路20流体力学地连接。此外，在阳极侧在阳极再循环线路21中存在有分离器22、尤其水分离器，该分离器的流走部借助于液体供应线路23在加湿器15上游与阴极供应线路30连接。这使得能够将在阳极侧生成的液态水供应给加湿器15。
在阴极侧燃料电池堆叠16与阴极供应线路30连接以用于供应含氧气的阴极气体。为了输送和压缩阴极气体，在阴极供应线路30的构造为干燥供应线路11的部分中布置有压缩机26。在所示出的设计方案中，压缩机26设计为主要通过电动马达驱动的压缩机26，该压缩机的驱动经由配备有相应的功率电子装置的未详细示出的电动马达实现。
经由压缩机26将从周围环境抽吸的阴极气体借助于干燥供应线路11引导至加湿器15。阴极供应线路30的第二部分将加湿器15与燃料电池堆叠16连接并且将经加湿的阴极气体导引至燃料电池堆叠16的阴极空间。此外，液态水和未反应的阴极气体经由阴极废气线路31导引返回至加湿器15，或未反应的阴极气体(尤其排出空气)如有可能从燃料电池堆叠16的阴极空间18被引导至未示出的废气设备。
最后，加湿器15还具有用于导出经除湿的阴极废气的加湿器排放线路32。
液体供应线路23还可以流体力学地与阴极排放线路31在加湿器15上游连接。这同样使得能够将液态水供应到加湿器15，因为在废气进入到加湿器15及其加湿器模块1中之前，该废气被额外地加湿。备选地或补充地，在压缩机26下游可以存在有旁通线路12，所述旁通线路与加湿器排放线路32流体力学地连接。
用于加湿燃料电池系统2中的气体的方法在此尤其包括以下步骤：首先从燃料电池堆叠16取出液态水并且将其供应给加湿器15。在燃料电池反应时产生液态水，其然后以废气形式离开燃料电池堆叠16并且可以在加湿器15中被使用。液体供应如有可能可以额外地在阳极侧经由所连接的液体供应线路23实现，所述液体供应线路与干燥供应线路11并且与阴极排放线路31流体力学地连接。在此液态水与阴极废气一起流动通过加湿器15的加湿器模块1的通道6并且在吸湿的分隔接片5中被吸收和临时存储。分隔接片5可以在需要时，尤其是当没有另外的液态水可供加湿器15使用时或在高负载的情况下，借助于蒸发液态水又至少部分地排空，从而可以对要供应给燃料电池堆叠16的气体进行加湿。
当膜3的湿度低于预设的或能预设的阈值时，在此可以进行部分排空。所述阈值可以借助于加湿器15的导电能力来确定。备选地，液态水也可以从分隔接片5以规则的时间周期自动排空。在另一种备选的设计方案中，当不由或不可由燃料电池堆叠16供应液态水时，或燃料电池系统2在存在较高的水需求的运行模式中操作时，则将分隔接片5排空。
附图标记列表：
1 加湿器模块
2 燃料电池系统
3 (加湿器模块的)膜
4 流场芯
5 分隔接片
6 通道
7 框架
8 转向部
11 干燥供应线路
12 旁通线路
13 (加湿器的)另外的出口
14 (加湿器的)入口
15 加湿器
16 燃料电池堆叠
17 (加湿器的)另外的入口
18 (加湿器的)出口
19 阳极贮存器
20 阳极供应线路
21 阳极再循环线路
22 分离器
23 液体供应线路
24 阳极废气线路
26 压缩机
28 调节环节
29 热交换器
30 阴极供应线路
31 阴极废气线路
32 加湿器排放线路。
Claims (10)
1.一种用于燃料电池系统(2)中的加湿器(15)的加湿器模块(1)，所述加湿器模块具有气体可透过的膜(3)，在所述膜的一侧处布置有限定流场的流场芯(4)，其中，所述流场芯(4)具有至少两个分隔接片(5)，在所述分隔接片之间构造有通道(6)，其特征在于，所述分隔接片(5)由吸湿的、不溶于水的材料如此形成，使得在至少一个所述通道(6)中流动的液体能够暂时存储在吸湿的所述分隔接片(5)中。
2.根据权利要求1所述的加湿器模块(1)，其特征在于，所述流场芯(4)由疏水的框架(7)包围或所述流场芯(4)被接纳到疏水的承载板中。
3.根据权利要求1或2所述的加湿器模块(1)，其特征在于，存在有多个通过吸湿的分隔接片(5)彼此分隔开的通道(6)，并且所述通道(6)直线地且彼此平行地延伸。
4.根据权利要求1或2所述的加湿器模块(1)，其特征在于，存在有多个通过吸湿的分隔接片(5)形成的通道(6)，并且所述分隔接片(5)具有至少一个转向部(8)。
5.根据权利要求4所述的加湿器模块(1)，其特征在于，所述吸湿的分隔接片(5)沿着其纵向延伸方向彼此规则间隔开地具有转向部(8)。
6.一种用于加湿用于燃料电池系统(2)的气体的加湿器(15)，所述加湿器具有两个端板，在所述端板处构造有用于干燥气体的入口(14)、用于经加湿的气体的出口(18)、用于湿润气体的另外的入口(17)和用于经除湿的气体的另外的出口(13)，并且所述加湿器具有布置在所述端板之间的多个根据权利要求1至5中任一项所述的加湿器模块(1)。
7.一种具有燃料电池堆叠(16)的燃料电池系统(2)，在阴极侧能够给所述燃料电池堆叠供应阴极气体并且在阳极侧能够给所述燃料电池堆叠供应燃料；并且所述燃料电池系统具有根据权利要求6所述的加湿器(15)，所述加湿器在阴极侧联接在所述燃料电池堆叠(16)上游。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统(2)，其特征在于，在阳极流出侧存在有分离器(22)，所述分离器(22)的流走部与所述加湿器(15)流体力学地连接，并且/或者在阴极流出侧，阴极废气线路(31)与所述加湿器(15)流体力学地连接。
9.一种用于加湿燃料电池系统(2)中的气体的方法，所述燃料电池系统具有燃料电池堆叠(16)，所述燃料电池堆叠与根据权利要求6所述的加湿器(15)流体连接，所述方法包括以下步骤：
-从所述燃料电池堆叠(16)取出液态水并且将所述液态水供应给所述加湿器(15)，
-将所述液态水的至少一部分吸收到吸湿的分隔接片(5)中并且临时存储该部分，并且
-通过蒸发所述液态水至少部分地排空所述吸湿的分隔接片(5)并且借助于蒸发的液态水对要供应给所述燃料电池堆叠(16)的气体进行加湿。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在阳极侧和/或在阴极侧从所述燃料电池堆叠(16)取出所述液态水。
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